Основи радіаційної фізики, дозиметрії і радіометрії

 

Фотоефект.

Фотоефектом називають вибивання електронів з атомів фотонами, при якому відбувається повне поглинання фотона. Фотоефект у видимому світлі відбувається на колективізованих електронах твердих тіл. При фотоефекті за допомогою фотонів високих енергій вибивання електронів найчастіше відбувається з глибоких електронних оболонок атома, тобто електронів, які належать певному атому. Теоретичний аналіз показує, що фотоефект на вільних електронах неможливий, бо не можуть одночасно виконуватись закони збереження енергії і імпульсу. Фотоефект можливий лише на зв’язаних електронах , коли участь в фотоефекті, крім фотона і електрона, приймає також атом.

Взаємодію між фотоном, електроном і атомом при фотоефекті можна представити у вигляді рис.8

 

Закони збереження енергії і імпульсу при фотоефекті можна записати у вигляді

                                 (4.33)

де  - кінетична енергія і імпульс атома,   - енергія зв’язку електрона в атомі.

З першого співвідношення (33) випливає, що фотоефект має пороговий

характер. Він можливий лише тоді, коли енергія фотона перевищує енергію зв’язку електрона. Розрахунок показує, що енергія атома мала в порівнянні з енергією інших частинок, які приймають участь в фотоефекті. Так при енергії фотона в 1 МеВ кінетична енергія атома є величина порядку 100 еВ.

Енергія зв’язку електрона в атомі залежить від електронної оболонки, в якій він знаходиться. Так для верхніх, найбільше віддалених від ядра електронних оболонок, ця енергія складає величину порядку одиниць і десятків еВ. Для самої близької до ядра К-оболонки енергія зв’язку залежить від зарядового числа Z і для ядер кінця таблиці Менделєєва складає величину, дещо більшу 80 кеВ. При зменшенні Z ця енергія зменшується.

При фотоефекті в нижніх електронних оболонках можуть утворюватись пусті місця. Туди перейдуть електрони з верхніх електронних оболонок. Енергія збудження при переході електрона може бути виділена двома шляхами: в результаті випромінювання характеристичних рентгенівських променів і шляхом Оже-процесу. При Оже-процесі енергія збудження передається одному з верхніх електронів і він вилітає з атома, маючи значну кінетичну енергію. Таким чином, при фотоефекті виникають не тільки фотоелектрони високих енергій, а також рентгенівське випромінювання і Оже-електрони.

Експериментальні дослідження показують, що ефективний переріз фотоефекту зменшується при збільшенні енергії фотонів і на цій залежності спостерігаються стрибки, які відповідають енергіям зв’язку електронів окремих оболонок (рис.9). на цьому рисунку   дорівнює енергії зв’язку К-електронів,  -електронів. При нижчих енергіях також спостерігаються стрибки, що відповідають енергіям 

зв’язку наступних електронних оболонок.  При   поглинання в інших електронних оболонках складає приблизно 20% від поглинання в К-оболонці. Згідно з теоретичними розрахунками ефективний переріз фотоефекту для електронів К-оболонки 

   при  ,

   при  ,

де а і b  - постійні величини.

З співвідношення (34) випливає, що переріз фотоефекту на К-оболонці пропорційний Z5. При порівняно малих енергіях ефективний переріз фотоефекту на К-електронах обернено пропорційний  , а при великих енергіях (ультрарелятивістський випадок) – обернено пропорційний енергії.

Народження пар електрон-позитрон.

 

У полі заряджених частинок (ядер, електронів) гама-фотон може народити пару електрон-позитрон. При цьому виникають швидкі заряджені частинки електрон і позитрон, які можуть іонізувати атоми речовини. Даний процес схематично можна представити у вигляді

 .                                            (4.35)

Оскільки електрон і позитрон мають масу спокою, то ясно, що з енергетичної точки зору даний процес повинен бути пороговим, тобто повинна існувати порогова енергія  . При менших енергіях фотонів даний процес енергетично заборонений.

На основі законів збереження енергії і імпульсу можна довести, що без участі ще однієї частинки даний прцес неможливий. Якщо процес відбувається в полі ядра, закони збереження енергії і імпульсу можна записати у вигляді

                         (4.36)

де   - кінетична енергія електрона і позитрона,   - кінетична енергія ядра,   - імпульс електрона,   - імпульс позитрона,   - імпульс ядра. При цьому враховано, що електрон і позитрон мають однакову масу і при взаємодії повинні набути однакову кінетичну енергію і однаковий за величиною імпульс, але напрямки імпульсів можуть не співпадати.

Можна довести, що енергія ядра набагато менша енергій інших частинок, які входять в закон збереження енергії (36). Тому з цього закону випливає порогове значення енергії народження пар електрон-позитрона  .

Ефективний переріз народження пар також має пороговий характер:   при  . На відміну від інших механізмів взаємодії фотонного випромінювання з атомами речовини ефективний переріз народження пар збільшується при збільшенні енергії фотонів. Ця залежність має дещо різний характер при відсутності або наявності екранування поля ядра атомними електронами (рис.10: крива 1 – без екранування, 2 – з екрануванням).

Бете і Гайтлер теоретично розрахували перерізи народження пар, що припадають на ядро, для різних випадків